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1 Lehrstuhl hl für ertigungstechnik und Werkzeugmaschinen olien unter Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel

2 Philosophie des Lehrstuhles wo sich orschung und Praxis treffen Modellbildung - Analytik Simulation Anstellkraft: Gleitschiene 75kN altenglätter stationär Anstellkraft: Gleitschiene Endenbearbeitung stationär altenglätter 00kN Geschwindigkeit 0,05mm/s Versuch Konzept Werkzeug/Maschine Pa m- Tu be Idee Innenhochdruck - Umformen Analyse PamStamp 2G PamTube2G Biegen Umsetzung - Realisierung 2

3 Grundlagen des Tief- und Karosserieziehens 02. Dezember 2008 Prof. Dr.-Ing. Bernd Engel 3

4 Inhalt Einordnung der Ziehverfahren Umformmechanismen Spannungen, Dehnungen, Kräfte Verfahrensgrenzen 4

5 Einordnung der Ziehverfahren Einordnung der Umformverfahren Druck- Umformen DIN 8583 Walzen Schmieden reiform Gesenkform Durchdrücken ließpressen Strangpressen Zug-Druck- Umformen DIN 8584 Durchziehen Drücken Kragenziehen Knickbauchen Zug-Umformen DIN 8585 Längen Weiten Tiefen Biege- Umformen DIN8586 reies Biegen Gesenkbiegen Gleitziehbiegen Rollbiegen Knickbiegen Walzbiegen Schwenkbiegen Rundbiegen Umlaufbiegen Schub- Umformen DIN8587 Verschieben Verdrehen Umformverfahren werden nach den wirksamen Spannungen eingeteilt Karosserieziehen + Streckziehen + Biegen 5

6 Einordnung der Ziehverfahren ist das Zug-Druck-Umformen eines Blechzuschnitts zu einem Hohlkörper oder eines Hohlkörpers zu einem Hohlkörper mit kleinerem Umfang ohne beabsichtigte Veränderung der Blechdicke. ist ein Zug- Druck- Umform- verfahren (deep drawing) mit Werkzeugen (deep drawing with dies) mit Wirkmedien (deep drawing with working media) mit Wirkenergie (deep drawing with activated energy) starre Werkzeuge nachgiebige Werkzeuge mit lüssigkeiten (aktiv/ passiv) mit Gasen mit formlosen festen Stoffen z.b. Magnetfeld 6

7 Umformmechanismen im Erstzug Beim im Erstzug entsteht aus dem Zuschnitt (Blechplatine) das Ziehteil in einem einzigen Arbeitshub der Presse! 7

8 Umformmechanismen im Erstzug Ziehkraftübertragung über Zarge. Spannung in Zargenrichtung: g σ z. σ z darf Reißfestigkeit nicht überschreiten! σ z z A d m z π s 0 d m d + s 0 8

9 Umformmechanismen Werkstoffverdrängung beim d 0 b b a d a h h vor der Umformung nach der Umformung s 0 d 0 d d h a zu biegender Werkstoff b zu verdrängender Werkstoff 9

10 Größen beim Ziehen rotationssymmetrischer Näpfe im Erstzug und Schematische Darstellung des Spannungs- verlaufs in der Umformzone (lanschbereich) 0

11 Beanspruchungsverhältnisse am Blech d 0 σ R d Ziehverhäl tnis : Rondendurc hmesser β Napfinnend urchmesser d d 0

12 Auslegung Tiefziehprozess Platine ertigteil Platinengröße d 0 Oberfläche fä Stempelgröße Konturzug d St Ziehverhältnis β Ziehabstufung Grenz- ziehverhältnis 2

13 Auslegung Tiefziehprozess Auslegungsregeln Auslegung g der Ziehstufen erfolgen nach : Ziehrichtung und Umformoperationen dem Grenzziehverhältnis Überlegungen zum Grenzziehverhältnis Begrenzung durch den Riss: σ z max A z max z max d π s m 0 z,max maximale Zugkraft σ z,max Reißfestigkeit, Annahme σ zmax z,max R m s 0 - Ausgangswandstärke 3

14 Auslegung Tiefziehprozess Die Reißkraft wird überschritten wenn gilt: σ z.max A z,max quer, Z arge d m, St z,max π s 0 z,max maximale Zugkraft σ z,max Reißfestigkeit, Annahme σ z,max R m s 0 - Ausgangswandstärke ür die Reißfestigkeit gilt: σ z.max R m Dabei ist z,max die maximale Ziehkraft, die über die Zarge übertragen werden kann.ür d m gilt: d d wobei d St Stempeldurchmesser und s 0 Ausgangswanddicke m + s, St St 0 4

15 Auslegung Tiefziehprozess Die Ziehkraft wird vom Ziehstempel durch Zugspannungen in der Zarge auf die eigentliche Umformzone im lansch übertragen: ges id + R + R R + N B Kräfte beim Ideelle Umformkraft Umformkraft unter alleiniger Berücksichtigung des Werkstoffes und der Umformgeometrie Reibkraft RN Reibkraft RR Biegekraft B - Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter - Reibung an der Ziehringrundung - Biegung um die Ziehringrundung 5

16 Berechnung Ziehkraft Minimaler Stempelradius - Ziehkraft Damit ergibt sich aus der obigen Beziehung der minimal mögliche Stempel- durchmesser zu: d z,max π s R m, min 0 m Ziehkraft ges id + R + R R + N B Ideelle Umformkraft id Reibkraft RN Reibkraft RN Biegekraft B 6

17 Berechnung ideelle Umformkraft D m d m r σ r σ t dα dr σ r + dσ r σ t σ t dα 2 Ihre Bestimmung ergibt sich aus der Gleichgewichtsbetrachtung der Kräfte an einem Volumenelement im lansch: dα σr + dσr ) (r + dr) dα s0 σr r dα s0 + 2 σ t s dr sin( ) 0 2 ( 0 7

18 Berechnung ideelle Umformkraft ( dα ) sin( dα ) Setzt man für kleine Winkel 2 2 und vernachlässigt Produkte von Differentialen, so vereinfacht sich diese DGL zu: D m r σ t dr σ r + dσ r dr dσ r ( σ r + σ t ) r d m σ r σ t dα Unter Anwendung der ließregel nach Tresca Mohr σ t dα 2 σ r + σ t k f (mit σ σ r und σ 3 σ t ) und der Berücksichtigung, dass diese ließregel 0% geringere Werte liefert: σ r + σ t, k f 8

19 Berechnung ideelle Umformkraft Nach Einsetzen der ließbedingung und Aufintegrieren σ r ( r ) R,kk fmi ln r D m Dabei ist für k fmi die gemittelte ließspannung zwischen Punkten und 2 einzusetzen. d m dα 2 k fmi (k f + k f 2 ) 2 Die ideelle Umformkraft bestimmt sich dann zu: R s r id π dm s0,k fmi ln mit dm d + 0 Ziehringradius d m d s 0 r R 9

20 Berechnung Reibkräfte Ziehkraft- Reibkraft zwischen Ziehring und Niederhalter Aufgrund des Niederhalterdruckes ergibt sich eine Reibkraft: RN π d 2 μ p ( R r) m N σ t Reibkraft am Ziehring 2 ( + ) e id RN μα r R id + RN D m d m σ r σ t dα 2 σ + dσ r r 2 20

21 Berechnung Biegekraft Beim Ziehen wird das Blech um den Ziehring gebogen. Das Biegemoment lässt sich aus der Spannungsverteilung am Biegebogen bestimmen: Die Biegekraft wird unter der Annahme bestimmt, dass der gesamte Querschnitt unter leßspannung liegt: M b mit 2 σ ( z) z dz b s0 2 z k f M b 2 σ ( ) 2 k 0 f z dz b k f k f s 0 z s 0 z Die Breite b wird ersetzt durch: b πd m 2

22 Berechnung Biegekraft Das Biegemoment wird durch die Biegekraft (bei vernachlässigbarer Größe des Blechdicke) am Radius r R aufgebaut:: b M b r R Damit ergibt die Biegekraft aus Hin- und Rückbiegung:: 3 2 r R id + RN b k fmii π d 2 r R m s 2 0 σ t Dabei ist für k fmii die gemittelte ließspannung zwischen Punkten und 3 einzusetzen. und 3 sind r R voneinander entfernt k fmi ( k f + k 2 f 3 ) D m d m 3 σ r σ t dα 2 σ + r dσ r 22

23 Ziehkraft nach Siebel Z max mit: d 0,5 < η k k R m fm fm m π d d + s 0,3 R m < 0,7 m s 0 k, η fm d ln d mittlere ließspannung Ausgangsfestigkeit 0 0,25 23

24 Niederhalterkraft nach Siebel p N N A p N 0,002K0,003 p mit : N N π 4 A N ( β - ) 2 2 [ d - ( d + 2μ + 2r ) ] 0 Niederhalterdruck A N Beaufschlagte läche 2 R ,5 d + R 00 s 0 m 24

25 Verfahrensgrenzen beim Verfahrensgrenzen, Versagensarten Reißer (Bodenreißer) altenbildung Einflussgrößen durch: Ziehwerkstoff Schmierstoff Werkzeuggeometrie Umformparameter 25

26 Verfahrensgrenzen beim Boden lansch Zarge 26

27 Grenzziehverhältnis Das Grenzziehverhältnis stellt den Wert dar, bis zu dem die erforderliche Ziehkraft übertragen werden kann. Bei Überschreiten des Grenzziehverältnisses tritt der Versagensfall Bodenreißer ein. Das Grenzziehverhältnis ist abhängig von: Gleichmaßdehnung und Anisotropie bezogenen Stempeldurchmesser ( auf Blechdicke ) Ziehspalt Niederhalterdruck 27

28 Ziehverhältnis Das Ziehverhältnis ist definiert zu: es gilt: β D β d β Platine D Stempel d D d bei D d bi beim einem Zug Erstzug Ausgangs D β ges End d β β β β,..., β ges 2 3 n D d d β2 bzw. βi d 2 d d i i beim Weiterzug 28

29 Ziehen im Weiterzug 29

30 Karosserieziehen Ziehen unregelmäßiger Teile Unregelmäßiges Ziehteil: Unterschiedlichste ormen von Ziehteilen und ormen. Allen Teilen ist gemeinsam, dass beim Umformen eine Kombination aus, Streckziehen und Biegen vorhanden ist. Ziehen unregelmäßig geformter Ziehteile kann nicht mehr mit geschlossenen ormeln abgebildet werden. Biegen Streckziehen Berechnungen nur über Simulationsprogramme möglich! 30

31 Karosserieziehen Ziehen unregelmäßiger Teile Beeinflussung des Werkstoffflusses: Nur aus der Kenntnis der örtlichen Verhältnisse kann der Werkstofffluss gesteuert werden. Möglichkeiten über Ziehwülste und Ziehleisten. - Vermeidung von alten, Vermindern der Rückfederung Ziehwulst: Am Übergang g zum Matrizeneinlauf Ziehstab: Unterhalb Niederhalterfläche zurückgesetzt von Matrizeneinlauf 3

32 Karosserieziehen Ziehen unregelmäßiger Teile Anordnungen von Ziehwulsten 32

33 Streckziehen Streckziehen Tiefen 33

34 Streckziehen Streckziehen Streckziehen ist das Tiefen eines Blechzuschnittes mit einem starren Stempel, wobei das Werkstück am Rand fest eingespannt ist. Aufgrund der Klemmung kann das Blech nicht nachfließen. Die Umformung erfolgt durch reine Zugbeanspruchung unter Abnahme der Blechdicke. 34